JP2009096664A - 粉粒状物固化体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形体に短時間で初期強度が発現し早期脱型してもハンドリング中の粉化や破損を防止することが可能な粒状物固化体の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】土、砂、岩石破砕物、砕石スラッジ、スラグ、焼却灰、集塵ダスト、無機汚泥、及びコンクリート構造体破砕物の１又は２以上からなる粉粒状物に、セメント製造工程におけるセメント焼成設備で１２００℃以上１６００℃以下の温度で焼成されたクリンカーに石膏を添加しないで粉砕したクリンカー粉砕物及び水を加えて混練した混練物を成形して得られる成形体を固化させた粉粒状物固化体の製造方法であって、クリンカー粉砕物に含まれるアルミネート相と水との急激な水和反応によりアルミン酸カルシウム水和物の結合相を粉粒状物間に短時間で生成させて成形体に初期強度を発現させる。
【選択図】なし

Description

本発明は、粉粒状物の成形体に初期強度を短時間で発現させる粉粒状物固化体の製造方法に関する。

従来、石炭灰の有効利用として、石炭灰にセメントを加えて造粒し、石炭灰含有透水性構築材を製造することが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平３−２５２３７５号公報

特許文献１に示すように、バインダーにセメントを使用し粉粒状物を成形して骨材等の代替物を製造する場合、造粒、ブリケッティング、押出し成形、型内への流込み等のいずれの成形方法を採用しても、粉粒状物とセメントとの混合物に水を投入してから成形が完了するまでの時間は短時間（例えば、１０分以内）である。このため、成形中に固化が始まらなければ、成形終了後の成形体の固化速度は速ければ速いほど好ましい。
ここで、セメントには、コンクリートの輸送中や施工中に固化が始まってしまうと施工が不可能になるので、敢えてすぐに固化が開始しないように石膏を添加している。その結果、粉粒状物の間に結合力が現われる（初期強度が発現する）のは遅く、外力が作用した状態で成形体としての形状を維持するのに必要な強度が発現するには、成形してから数日間を要する。そして、固化が開始した成形体のハンドリングを早期に行うと、ハンドリング中に成形体に粉化や破損が発生するという問題がある。また、路盤材のように成形体を所定の粒度に粉砕する必要がある場合は、粉砕ロスを低減させるために成形体の強度を向上させておく必要が有り、更に、数日間の養生が必要になる。このため、例えば、型内への流込み成形の場合では、型内で成形体を養生することが必要になって、多量の成形体を成形する場合、多くの型を保有しなければならないという問題が生じると共に、成形型に収容された成形体を養生するための養生場も広く確保しなければならないという問題が生じる。
ここで、セメントとして初期強度の発現が早い早強セメントを使用することが考えられる。しかし、早強セメントは、セメントの施工性を確保するために石膏を添加し、初期強度の早期発現のためにアルミネート相に次いで水和反応速度の早いエーライト相の割合を増加させた組成としたものであるため、普通セメント（普通ポルトランドセメント）、高炉セメントに比べて、初期強度の発現がやや早くなる程度である。従って、早強セメントの使用は、セメント価格が上昇することによる成形コストの増加に対して初期強度の増加割合が小さく、期待される効果が得られない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、成形体に短時間で初期強度が発現し早期にハンドリングしても粉化や破損を防止することが可能な粒状物固化体の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る粉粒状物固化体の製造方法は、土、砂、岩石破砕物、砕石スラッジ、スラグ、焼却灰、集塵ダスト、無機汚泥、及びコンクリート構造体破砕物の１又は２以上からなる粉粒状物に、セメント製造工程におけるセメント焼成設備で１２００℃以上１６００℃以下の温度で焼成されたクリンカーに石膏を添加しないで粉砕したクリンカー粉砕物及び水を加えて混練した混練物を成形して得られる成形体を固化させた粉粒状物固化体の製造方法であって、
前記クリンカー粉砕物に含まれるアルミネート相と水との急激な水和反応によりアルミン酸カルシウム水和物の結合相を前記粉粒状物間に短時間で生成させて前記成形体に初期強度を発現させる。
ここで、スラグとは、高炉スラグ、溶銑予備処理スラグ、転炉スラグ、電気炉スラグ、及びこれらのダストを指す。

本発明に係る粉粒状物固化体の製造方法において、前記クリンカー粉砕物は平均粒径が５０μｍ以下に粉砕されていることが好ましい。

請求項１、２記載の粉粒状物固化体の製造方法においては、成形体を形成した場合、粉粒状物の間にはクリンカー粉砕物と水が共存しているので、成形体内ではクリンカーに含有されているアルミネート相と水とが反応して直ちにアルミン酸カルシウム水和物が生成し、粉粒状物は生成したアルミン酸カルシウム水和物を主体とした結合相を介して結合する。このため、成形体に強度（初期強度）を短時間（例えば、普通ポルトランドセメントで初期強度が発現するのに要する１／４〜１／３の時間）で発現させることができ、早期に成形体のハンドリングを開始しても、ハンドリング中に粉化や破損が発生せず、短期間で粒状物固化体が得られる。その結果、成形体の長時間養生が不要となり、広い養生場の確保が不要になる。

特に、請求項２記載の粉粒状物固化体の製造方法においては、クリンカー粉砕物は、クリンカーを平均粒径が５０μｍ以下に粉砕したものであるので、アルミネート相と水との接触頻度が高まり、水との水和反応を効率的に進めることができる。その結果、成形体により短い時間で初期強度を発現させることができる。

本発明の一実施の形態に係る粉粒状物固化体の製造方法は、粉粒状物に、セメント製造工程におけるセメント焼成設備で１２００℃以上１６００℃以下の温度で焼成されたクリンカーに石膏を添加しないで粉砕したクリンカー粉砕物及び水を加えて混練した混練物を成形し、固化させて粉粒状物固化体を得る。以下詳細に説明する。

粉粒状物は、石膏を含まない、例えば、土、砂、岩石破砕物、砕石スラッジ、スラグ、焼却灰、集塵ダスト、無機汚泥、及びコンクリート構造体破砕物の１又は２以上からなる。そして、粉粒状物とクリンカー粉砕物の割合は、粉粒状物に対してクリンカー粉砕物を、例えば、外掛けで１〜２０質量％添加する。ここで、粉粒状物に対するクリンカー粉砕物の添加量が１質量％未満では、粉粒状物に対する結合相の割合が少なくなって粉粒状物固化体に十分な強度を賦与することができず、２０質量％を超えて添加した場合は、クリンカー粉砕物の添加量に応じて粉粒状物固化体の強度は向上するが、クリンカー粉砕物の使用量が多くなって材料コストが上昇するため好ましくない。このため、粉粒状物に対するクリンカー粉砕物の下限添加量を１質量％、好ましくは２．５質量％、上限添加量を２０質量％、好ましくは１０質量％とした。

クリンカーは、石灰石、粘土、珪石、及び酸化鉄を含有する塊状物をセメント焼成設備（例えば、ロータリーキルン）に投入し焼成して得られる焼塊であって、エーライト（３ＣａＯ・ＳｉＯ_２）、ビーライト（２ＣａＯ・ＳｉＯ_２）、アルミネート相（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３）、及びフェライト相（４ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｆｅ_２Ｏ_３）の各セメント鉱物を含んでいる。ここで、塊状物の焼成温度は、石灰石、粘土、珪石、及び酸化鉄の混合組成から、エーライト、ビーライト、アルミネート相及びフェライト相が生成する温度であればよく、塊状物のサイズ、塊状物の投入量、セメント焼成設備の構造等の影響を受けるが、１２００℃以上１６００℃以下の温度で焼成すれば十分である。そして、クリンカー粉砕物は、セメント焼成設備から排出されたクリンカーのみを（すなわち、セメントを製造する場合のようにクリンカーに石膏を添加する操作を行わないで）、例えば、ボールミル、ローラーミル、チューブミル等の粉砕機で粉砕して得られる。

ここで、クリンカー粉砕物の粒サイズが大きいと、クリンカー中のセメント鉱物と水との接触を十分に確保することができず、水との水和反応が効率的に進行せず、水和物からなる結合相の生成速度が小さくなって好ましくない。なお、クリンカー粉砕物のサイズが小さくなるほど、セメント鉱物と水との接触頻度が向上して水和反応が促進されるため結合相の生成が進行して好ましいが、粉砕コストが高くなって材料コストが上昇するため好ましくない。このため、クリンカー粉砕物の平均粒径を、５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下とした。

一方、粉粒状物のサイズの上限は３０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍ、より好ましくは５ｍｍである。これによって、粉粒状物とクリンカー粉砕物との混合物に水を加えて混練した混練物を成形した場合、成形体を構成している粉粒状物の周囲にクリンカー粉砕物と水の混合物を一様に介在させることができ、粉粒状物間にセメント鉱物と水との反応で生成した水和物からなる結合相を形成して、粉粒状物同士を強固に結合させることができる。

このとき、粉粒状物及びクリンカー粉砕物のいずれの中にも、石膏は存在していないので、成形体中で粉粒状物の周囲に存在しているクリンカー粉砕物と水の混合物中においては、クリンカー粉砕物に含まれるセメント鉱物のひとつであるアルミネート相と水との水和反応が阻害されず、アルミネート相と水との急激な水和反応が進行して、アルミン酸カルシウム水和物が形成される。このため、成形体では、成形直後から粉粒状物間にアルミン酸カルシウム水和物の結合相の形成が開始するため、成形体の強度は徐々に増加して、短時間（例えば、普通ポルトランドセメントで初期強度が発現するのに要する１／４〜１／３の時間）で初期強度が発現する。

以上のように、アルミネート相の水和反応が短時間で終了して成形体の初期強度が早期に発現するので、早期に成形体のハンドリングを開始しても、ハンドリング中に成形体の粉化や破損を防止でき、従来のように固化材としてセメントを使用した場合と比較して、例えば、成形体の脱型時期が短くなり、成形型の一定期間における繰返し使用回数（成形型回転率）を高くすることができ、成形型の保有個数を少なくできる。また、早期に成形体を脱型できることから、養生場の回転率も高くなって、広い養生場の確保が不要になる。

普通ポルトランドセメントを製造する際に使用するクリンカーを、ボールミルで平均粒径が２０μｍ以下になるように粉砕してクリンカー粉砕物を調製した。そして、クリンカー粉砕物を転炉スラグダストに対して外掛けで５質量％となるように加えて混合し、更に、水を転炉スラグダストに対して外掛けで２０質量％となるように加えて混練して混練物を作製した。次いで、混練物６０ｇを金型内に装入し、０．５トン／ｃｍ^２の圧力で外径が３２ｍｍ、高さが約３２ｍｍの円柱状の成形体を作製した。

成形体は、成形後直ちに金型より取出し、室内で一定期間養生してから、圧壊強度を測定した。ここで、養生期間は２、４、６、８時間、１、２、３日、１週間、２週間、４週間である。また、圧壊強度は、円柱状の成形体の底面が荷重負荷面となるようにして、クロスヘッド速度２ｍｍ／分の条件で行った。圧壊強度の測定結果を表１、表２に示す。なお、表中の圧壊強度値は、同一条件で作製した成形体５個の平均値である。また、養生期間が０時間の圧壊強度は、成形体を金型から取出して直ちに圧壊強度を測定した場合の値である。

［比較例１］
クリンカー粉砕物の代りに、高炉セメントＢ種（ＪＩＳＲ５２１１）を使用して実施例と同様の方法で成形体を作製し、養生後の圧壊強度を測定した。その結果を表１、表２に合わせて示す。

［比較例２］
クリンカー粉砕物の代りに、普通ポルトランドセメント（ＪＩＳＲ５２１０）を使用して実施例と同様の方法で成形体を作製し、養生後の圧壊強度を測定した。その結果を表１に合わせて示す。

［比較例３］
クリンカー粉砕物の代りに、早強ポルトランドセメント（ＪＩＳＲ５２１０）を使用して実施例と同様の方法で成形体を作製し、養生後の圧壊強度を測定した。その結果を表１、表２に合わせて示す。

表１に示すように、実施例の圧壊強度は、２時間養生の場合で比較例１〜３の各圧壊強度と比較して２０％程度高くなっており、比較例３（早強ポルトランドセメント）の８時間養生における圧壊強度と同等の強度を有している。また、表２に示すように、４週間の長期養生後の圧壊強度においても、他のセメントと比較して強度は劣っていない。従って、本発明のクリンカー粉砕物を使用した粉粒状物固化体は、従来から使用していたセメントを使用した粉粒状物固化体と比べて遜色のない耐用性を有すると解される。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
例えば、粉粒状物のサイズの上限を３０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍ、より好ましくは５ｍｍとしたが、粉粒状物を複数のサイズ範囲に分級し、分級した各粉粒状物を組合わせて粒度構成してもよい。粒度構成を行うことで、粉粒状物の充填率を向上させることができ、粉粒状物固化体の強度を更に向上させることができる。

Claims (2)

1. 土、砂、岩石破砕物、砕石スラッジ、スラグ、焼却灰、集塵ダスト、無機汚泥、及びコンクリート構造体破砕物の１又は２以上からなる粉粒状物に、セメント製造工程におけるセメント焼成設備で１２００℃以上１６００℃以下の温度で焼成されたクリンカーに石膏を添加しないで粉砕したクリンカー粉砕物及び水を加えて混練した混練物を成形して得られる成形体を固化させた粉粒状物固化体の製造方法であって、
   前記クリンカー粉砕物に含まれるアルミネート相と水との急激な水和反応によりアルミン酸カルシウム水和物の結合相を前記粉粒状物間に短時間で生成させて前記成形体に初期強度を発現させることを特徴とする粉粒状物固化体の製造方法。
2. 請求項１記載の粉粒状物固化体の製造方法において、前記クリンカー粉砕物は平均粒径が５０μｍ以下に粉砕されていることを特徴とする粉粒状物固化体の製造方法。